Квантовая машина
Квантовая машина — это созданное человеком устройство, коллективное движение которого подчиняется законам квантовой механики . Идея о том, что макроскопические объекты могут подчиняться законам квантовой механики, восходит к появлению квантовой механики в начале 20 века. [1] [2] Однако, как показал с котом Шрёдингера мысленный эксперимент , квантовые эффекты нелегко наблюдать в крупномасштабных объектах. [ нужна ссылка ] Следовательно, квантовые состояния движения наблюдались только в особых обстоятельствах при чрезвычайно низких температурах. Хрупкость квантовых эффектов в макроскопических объектах может возникнуть из-за быстрой квантовой декогеренции . [3] «Прорывом года» Исследователи создали первую квантовую машину в 2009 году, а в 2010 году это достижение было названо журналом Science .
История [ править ]
Первая квантовая машина была создана 4 августа 2009 года Аароном Д. О'Коннеллом во время работы над докторской диссертацией. под руководством Эндрю Н. Клеланда и Джона М. Мартиниса в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре . О'Коннелл и его коллеги соединили вместе механический резонатор , похожий на крошечный трамплин, и кубит — устройство, которое может находиться в суперпозиции двух квантовых состояний одновременно. Им удалось заставить резонатор вибрировать одновременно и на небольшую, и на большую величину — эффект, который был бы невозможен в классической физике . Механический резонатор был достаточно большим, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, — примерно шириной с человеческий волос. [4] Инновационная работа была впоследствии опубликована в журнале Nature в марте 2010 года. [5] Журнал Science объявил создание первой квантовой машины «Прорывом года » 2010 года. [6]
Охлаждение до основного состояния [ править ]
Чтобы продемонстрировать квантовомеханическое поведение, команде сначала нужно было охладить механический резонатор до тех пор, пока он не перейдет в основное квантовое состояние , состояние с минимально возможной энергией .
Температура требовалось, где — постоянная Планка , - частота резонатора и — постоянная Больцмана . [а]
Предыдущие группы исследователей сталкивались с этой стадией, поскольку, например, резонатор с частотой 1 МГц нужно было охлаждать до чрезвычайно низкой температуры 50 мкК . [7] Команда О'Коннелла сконструировала резонатор другого типа — объемный пленочный акустический резонатор . [5] с гораздо более высокой резонансной частотой (6 ГГц), которая, следовательно, достигнет своего основного состояния при (относительно) более высокой температуре (~ 0,1 К); этой температуры можно было бы легко достичь с помощью холодильника для разбавления . [5] В эксперименте резонатор охлаждался до 25 мК. [5]
Управление квантовым состоянием [ править ]
Пленочный объемный акустический резонатор был изготовлен из пьезоэлектрического материала , так что при колебаниях его меняющаяся форма создавала изменяющийся электрический сигнал, и, наоборот, электрический сигнал мог влиять на его колебания. резонатор Это свойство позволило соединить со сверхпроводящим фазовым кубитом — устройством, используемым в квантовых вычислениях, квантовое состояние которого можно точно контролировать.
В квантовой механике колебания состоят из элементарных колебаний, называемых фононами . Охлаждение резонатора до основного состояния можно рассматривать как эквивалент удаления всех фононов. Затем команде удалось перенести отдельные фононы из кубита в резонатор. Команда также смогла перенести состояние суперпозиции , когда кубит находился в суперпозиции двух состояний одновременно, на механический резонатор. [8] , это означает, что резонатор «буквально одновременно немного и сильно вибрировал» По данным Американской ассоциации содействия развитию науки . [9] Вибрации длились всего несколько наносекунд , прежде чем были разрушены разрушительными внешними воздействиями. [10] В статье в журнале Nature команда пришла к выводу: «Эта демонстрация представляет собой убедительное доказательство того, что квантовая механика применима к механическому объекту, достаточно большому, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом». [5]
Примечания [ править ]
^ a: Энергия основного состояния осциллятора пропорциональна его частоте: см. квантовый гармонический осциллятор .
Ссылки [ править ]
- ^ Шрёдингер, Э. (1935). «Современное положение в квантовой механике». естественные науки . 23 (48): 807–812, 823–828, 844–849. Бибкод : 1935NW.....23..807S . дои : 10.1007/BF01491891 . S2CID 206795705 .
- ^ Леггетт, Эй Джей (2002). «Проверка пределов квантовой механики: мотивация, состояние дел, перспективы». J. Phys.: Condens. Иметь значение . 14 (15): Р415–Р451. Бибкод : 2002JPCM...14R.415L . CiteSeerX 10.1.1.205.4849 . дои : 10.1088/0953-8984/14/15/201 . S2CID 250911999 . .
- ^ Журек, WH (2003). «Декогеренция, энселекция и квантовое происхождение классики» . Обзоры современной физики . 75 (3): 715–765. arXiv : Quant-ph/0105127 . Бибкод : 2003РвМП...75..715Z . дои : 10.1103/RevModPhys.75.715 . S2CID 14759237 .
- ^ Бойл, Алан. «Год в науке: квантовый скачок» . MSNBC. Архивировано из оригинала 19 декабря 2010 г. Проверено 23 декабря 2010 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и О'Коннелл, AD; Хофхайнц, М.; Ансманн, М.; Бяльчак, РЦ; Ленандер, М.; Лусеро, Э.; Нили, М.; Санк, Д.; и др. (2010). «Квантовое основное состояние и однофононное управление механическим резонатором». Природа . 464 (7289): 697–703. Бибкод : 2010Natur.464..697O . дои : 10.1038/nature08967 . ПМИД 20237473 . S2CID 4412475 .
- ^ Чо, Адриан (2010). «Прорыв года: первая квантовая машина». Наука . 330 (6011): 1604. Бибкод : 2010Sci...330.1604C . дои : 10.1126/science.330.6011.1604 . ПМИД 21163978 .
- ^ Стивен Гирвин, http://www.condmatjournalclub.org/wp-content/uploads/2010/04/jccm_april2010_013.pdf. Архивировано 12 мая 2016 г. в Wayback Machine.
- ^ Маркус Аспельмейер, «Квантовая механика: прибой начался», Nature 464, 685–686 (1 апреля 2010 г.)
- ^ Брэндон Брин, «Наука: прорывы 2010 года и идеи десятилетия» , Американская ассоциация содействия развитию науки, 16 декабря 2010 г.
- ↑ Ричард Уэбб, «Первые квантовые эффекты, замеченные в видимом объекте» , New Scientist, 17 марта 2010 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Чо, Адриан (17 декабря 2010 г.). «Прорыв года: первая квантовая машина» . Наука . 330 (6011): 1604. Бибкод : 2010Sci...330.1604C . дои : 10.1126/science.330.6011.1604 . ПМИД 21163978 .
- Брамфил, Джефф (17 марта 2010 г.). «Учёные превосходят квантовую механику» . Природа . дои : 10.1038/news.2010.130 .
- Аарон Д. О'Коннелл, декабрь 2010 г., «Макроскопический механический резонатор, работающий в квантовом пределе». Архивировано 25 июля 2011 г. в Wayback Machine (докторская диссертация).
